Los flujos de escombros son fenómenos geológicos en los que masas de tierra cargadas de agua y rocas fragmentadas fluyen por las laderas de las montañas, se canalizan hacia los canales de los arroyos , arrastran objetos en su camino y forman depósitos espesos y fangosos en los fondos de los valles. Por lo general, tienen densidades aparentes comparables a las de las avalanchas de rocas y otros tipos de deslizamientos de tierra (aproximadamente 2000 kilogramos por metro cúbico), pero debido a la licuefacción generalizada de sedimentos causada por altas presiones de fluidos intersticiales , pueden fluir casi con tanta fluidez como el agua. [2] Los flujos de escombros que descienden por canales empinados comúnmente alcanzan velocidades que superan los 10 m/s (36 km/h), aunque algunos flujos grandes pueden alcanzar velocidades mucho mayores. Los flujos de escombros con volúmenes que varían hasta aproximadamente 100.000 metros cúbicos ocurren con frecuencia en regiones montañosas de todo el mundo. Los flujos prehistóricos más grandes han tenido volúmenes que superan los mil millones de metros cúbicos (es decir, 1 kilómetro cúbico). Debido a sus altas concentraciones de sedimentos y su movilidad, los flujos de escombros pueden ser muy destructivos.
Los desastres por flujos de escombros más notables del siglo XX implicaron más de 20.000 muertes en Armero, Colombia , en 1985 y decenas de miles en el estado de Vargas , Venezuela , en 1999.
Los flujos de escombros tienen concentraciones volumétricas de sedimentos que superan aproximadamente el 40 al 50%, y el resto del volumen de un flujo consiste en agua. Por definición, los "escombros" incluyen granos de sedimentos con diversas formas y tamaños, que comúnmente van desde partículas de arcilla microscópicas hasta grandes rocas . Los informes de los medios a menudo usan el término flujo de lodo para describir los flujos de escombros, pero los verdaderos flujos de lodo están compuestos principalmente de granos más pequeños que la arena . En la superficie terrestre de la Tierra, los flujos de lodo son mucho menos comunes que los flujos de escombros. Sin embargo, los flujos de lodo submarinos prevalecen en los márgenes continentales submarinos , donde pueden generar corrientes de turbidez . Los flujos de escombros en regiones boscosas pueden contener grandes cantidades de restos leñosos, como troncos y tocones de árboles. Las inundaciones de agua ricas en sedimentos con concentraciones de sólidos que varían de aproximadamente el 10 al 40% se comportan de manera algo diferente a los flujos de escombros y se conocen como inundaciones hiperconcentradas . [3] Los flujos de corrientes normales contienen concentraciones incluso más bajas de sedimentos.
Los flujos de escombros pueden ser provocados por lluvias intensas o deshielo, por rotura de presas o inundaciones repentinas de glaciares, o por deslizamientos de tierra que pueden o no estar asociados a lluvias intensas o terremotos. En todos los casos, las principales condiciones requeridas para el inicio de un flujo de escombros incluyen la presencia de pendientes con una inclinación superior a unos 25 grados , la disponibilidad de abundante sedimento suelto, tierra o roca meteorizada y suficiente agua para llevar este material suelto a un estado de saturación casi completa (con todo el espacio poroso lleno). Los flujos de escombros pueden ser más frecuentes después de incendios forestales y de matorrales, como lo demuestra la experiencia en el sur de California. Representan un peligro significativo en muchas áreas montañosas escarpadas, y han recibido especial atención en Japón, China, Taiwán, EE. UU., Canadá, Nueva Zelanda, Filipinas, los Alpes europeos, Rusia y Kazajstán. En Japón, un gran flujo de escombros o deslizamiento de tierra se llama yamatsunami (山津波), literalmente tsunami de montaña .
Los flujos de escombros se aceleran cuesta abajo por la gravedad y tienden a seguir canales de montaña empinados que desembocan en abanicos aluviales o llanuras de inundación . El frente, o "cabeza" de una oleada de flujo de escombros a menudo contiene una abundancia de material grueso, como rocas y troncos, que imparten una gran cantidad de fricción . Detrás de la cabeza de flujo de alta fricción hay un cuerpo de flujo de menor fricción, principalmente licuado, que contiene un mayor porcentaje de arena , limo y arcilla. Estos sedimentos finos ayudan a retener altas presiones de fluido de poro que mejoran la movilidad del flujo de escombros. En algunos casos, el cuerpo de flujo es seguido por una cola más acuosa que se transforma en un flujo de corriente hiperconcentrado. Los flujos de escombros tienden a moverse en una serie de pulsos, o oleadas discretas, en donde cada pulso o oleada tiene una cabeza, cuerpo y cola distintivos.
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Los depósitos de flujos de escombros son fácilmente reconocibles en el campo. Constituyen porcentajes significativos de muchos abanicos aluviales y conos de escombros a lo largo de frentes de montaña empinados. Los depósitos completamente expuestos comúnmente tienen formas lobuladas con hocicos ricos en rocas, y los márgenes laterales de los depósitos y caminos de flujos de escombros están comúnmente marcados por la presencia de diques laterales ricos en rocas . Estos diques naturales se forman cuando escombros relativamente móviles, licuados y de grano fino en el cuerpo de los flujos de escombros se arriman a escombros gruesos de alta fricción que se acumulan en las cabezas de flujo de escombros como consecuencia de la segregación del tamaño de grano (un fenómeno familiar en la mecánica granular ). Los diques laterales pueden limitar los caminos de los flujos de escombros resultantes, y la presencia de diques más antiguos proporciona una idea de las magnitudes de los flujos de escombros anteriores en un área particular. A través de la datación de árboles que crecen en tales depósitos, se puede estimar la frecuencia aproximada de flujos de escombros destructivos. Esta es una información importante para el desarrollo de las tierras en áreas donde los flujos de escombros son comunes. Los depósitos de flujos de escombros antiguos que están expuestos solo en afloramientos son más difíciles de reconocer, pero se caracterizan comúnmente por la yuxtaposición de granos con formas y tamaños muy diferentes. Esta mala clasificación de los granos de sedimentos distingue los depósitos de flujos de escombros de la mayoría de los sedimentos depositados por el agua.
Otros flujos geológicos que pueden describirse como flujos de escombros suelen recibir nombres más específicos. Entre ellos se incluyen:
Un lahar es un flujo de escombros relacionado de alguna manera con la actividad volcánica , ya sea directamente como resultado de una erupción, o indirectamente por el colapso de material suelto en los flancos de un volcán. Una variedad de fenómenos pueden desencadenar un lahar, incluyendo el derretimiento del hielo glacial, el colapso de un sector , lluvias intensas sobre material piroclástico suelto o el estallido de un lago que anteriormente estaba represado por sedimentos piroclásticos o glaciales. La palabra lahar es de origen indonesio, pero ahora es utilizada rutinariamente por geólogos de todo el mundo para describir los flujos de escombros volcanogénicos. Casi todos los flujos de escombros más grandes y destructivos de la Tierra son lahares que se originan en volcanes. Un ejemplo es el lahar que inundó la ciudad de Armero , Colombia.
Un jökulhlaup es una inundación repentina de origen glaciar. Jökulhlaup es una palabra islandesa y en Islandia muchas inundaciones repentinas de origen glaciar son provocadas por erupciones volcánicas subglaciales. (Islandia se encuentra sobre la dorsal mesoatlántica, que está formada por una cadena de volcanes principalmente submarinos). En otros lugares, una causa más común de jökulhlaup es la ruptura de lagos con presas de hielo o de morrenas . Estos eventos de ruptura suelen ser causados por el desprendimiento repentino del hielo del glaciar en un lago, lo que luego provoca una onda de desplazamiento que rompe una morrena o una presa de hielo. Valle abajo del punto de ruptura, un jökulhlaup puede aumentar mucho de tamaño a través del arrastre de sedimentos sueltos del valle por el que viaja. Un arrastre abundante puede permitir que la inundación se transforme en un flujo de escombros. Las distancias de viaje pueden superar los 100 km.
Se han utilizado numerosos enfoques diferentes para modelar las propiedades, la cinemática y la dinámica del flujo de escombros . [4] Algunos de ellos se enumeran aquí.
Para calibrar y validar modelos tan sofisticados se necesitan datos bien documentados obtenidos a partir de estudios de campo o minuciosos experimentos de laboratorio. [11] [12]
La teoría de mezclas , propuesta originalmente por Iverson [2] y posteriormente adoptada y modificada por otros, trata los flujos de escombros como mezclas de dos fases sólido-fluido.
En flujos de masa reales de dos fases (de escombros) existe un fuerte acoplamiento entre la transferencia de momento del sólido y el fluido , donde la tensión normal del sólido se reduce por la flotabilidad , que a su vez disminuye la resistencia por fricción , mejora el gradiente de presión y reduce el arrastre en el componente sólido. La flotabilidad es un aspecto importante del flujo de escombros de dos fases, porque mejora la movilidad del flujo (distancias de viaje más largas) al reducir la resistencia por fricción en la mezcla . La flotabilidad está presente mientras haya fluido en la mezcla. [13] Reduce la tensión normal del sólido, las tensiones normales laterales del sólido y la tensión cortante basal (por lo tanto, la resistencia por fricción) por un factor ( ), donde es la relación de densidad entre el fluido y las fases sólidas. El efecto es sustancial cuando la relación de densidad ( ) es grande (por ejemplo, en el flujo de escombros natural).
Si el flujo es neutralmente boyante, es decir , (ver, por ejemplo, Bagnold, [14] 1954) la masa de escombros se fluidiza y se mueve distancias de viaje más largas. Esto puede suceder en flujos de escombros naturales altamente viscosos . [15] Para flujos neutralmente boyantes, la fricción de Coulomb desaparece, el gradiente de presión sólida lateral se desvanece, el coeficiente de arrastre es cero y el efecto de pendiente basal en la fase sólida también desaparece. En este caso límite , la única fuerza sólida restante se debe a la gravedad y, por lo tanto, la fuerza asociada con la flotabilidad. En estas condiciones de soporte hidrodinámico de las partículas por el fluido, la masa de escombros está completamente fluidizada (o lubricada ) y se mueve de manera muy económica, lo que promueve largas distancias de viaje. En comparación con el flujo boyante, el flujo neutralmente boyante muestra un comportamiento completamente diferente. En el último caso, las fases sólida y fluida se mueven juntas, la masa de escombros se fluidiza, el frente se mueve sustancialmente más lejos, la cola se queda atrás y la altura total del flujo también se reduce. Cuando , el flujo no experimenta ningún efecto de flotabilidad. Entonces, la tensión cortante por fricción efectiva para la fase sólida es la del flujo granular puro . En este caso, la fuerza debida al gradiente de presión se altera, la resistencia es alta y el efecto de la masa virtual desaparece en el momento sólido. Todo esto conduce a la desaceleración del movimiento .
Para evitar que los flujos de escombros lleguen a las propiedades y a las personas, se puede construir una cuenca de escombros. Las cuencas de escombros están diseñadas para proteger los recursos de suelo y agua o para evitar daños aguas abajo. Estas construcciones se consideran un último recurso porque son costosas de construir y requieren un compromiso de mantenimiento anual. [17] Además, las cuencas de escombros solo pueden retener los flujos de escombros de una fracción de los arroyos que drenan terrenos montañosos.
Antes de una tormenta que potencialmente puede generar flujos de escombros, los marcos de pronóstico a menudo pueden cuantificar la probabilidad de que se produzca un flujo de escombros en una cuenca hidrográfica; [18] sin embargo, sigue siendo un desafío predecir la cantidad de sedimentos movilizados y, por lo tanto, el tamaño total de los flujos de escombros que pueden generar núcleos para una tormenta determinada, y si las cuencas de escombros tendrán o no la capacidad de proteger a las comunidades río abajo. Estos desafíos hacen que los flujos de escombros sean particularmente peligrosos para las comunidades frente a las montañas. [19]
En 1989, como parte de su pieza a gran escala David Gordon's United States , y más tarde, en 1999, como parte de Autobiography of a Liar , el coreógrafo David Gordon reunió la música de Harry Partch y las palabras de John McPhee de The Control of Nature , leídas por Norma Fire, en una danza titulada "Debris Flow", una "desgarradora narración grabada de la terrible experiencia de una familia en un enorme deslizamiento de tierra en Los Ángeles..." [20]
